2025年度，理化所锚定目标，协力推进科研创新，取得了一批重要进展。为进一步总结成绩、鼓舞士气，经各研究中心推荐和综合评选，从三十余项成果中评选出理化所2025年度十大科技进展。

1.  低温热力学温度测量及国际比对

2019年国际单位制（SI）发生量子化变革，热力学温度单位开尔文由玻尔兹曼常数重新定义，基于新定义实现热力学温度测量、开展国际比对、制定新一代国际温标，成为温度计量领域的科技制高点。SI变革后，国际上气体基准测温在4K以下温区尚属空白，低温国际比对尚属空白，更未形成新一代国际温标。

2025年，低温科学与技术全国重点实验室低温计量与热质传输研究中心在低温热力学温度测量及国际比对方面取得了重要突破：在热力学温度测量方面，原创正逆定压气体折射率基准测温原理，研制了2K-5K热力学温度测量装置，在国际上率先基于开尔文新定义将气体测温下限突破至2K，使我国具备了该温区自主测温能力；在国际比对方面，提出了多电桥国际比对方案，研制了5K-25K低温热力学温度国际比对装置，控温稳定性优于10μK，为国际同类装置最好控温水平，并完成了低温热力学温度数据传递，为新SI下国际首次国际比对提供关键低温数据支撑。相关研究成果入选欧洲计量创新研究计划“DireK-T”2025年度亮点工作。在法国举办第二届低温计量国际研讨会，并在多项国际会议发布我国低温测温成果，提升了我国在低温计量领域的国际影响力。

图1. 2K-5K热力学温度测量装置

图2. 低温国际比对装置

2.  温和条件下高效人工固氮

氨不仅是生产化肥、药物及精细化学品的关键原料，也是理想的无碳燃料和高效的氢气载体。目前工业采用的Haber-Bosch合成氨工艺供养了地球上约半数人口，但需高温高压，能耗高、排放量大，年耗能占全球1–2%，CO₂排放约6.7亿吨。自然界固氮酶在温和条件下将氮气转化为氨，但通量小，远不能满足人类需求。因此，发展温和条件下高效人工固氮技术，将氮气直接转化为氨或高值含氮化学品，已成为应对能源与环境挑战的战略科技制高点。

超分子光化学研究中心模拟自然固氮的工作原理，开发人工固氮催化体系，巧妙实现了氮气和氮氧化物的可控还原，显著提升了温和条件下合成含氮高值化学品（如苯甲醛肟、环己酮肟）的效率与选择性，并开创了以空气和 KA 油（Ketone-Alcohol Oil）为原料光化学合成环己酮肟的创新路径。团队设计并研制了规模的新型户外光催化固氮反应装置，可在常温常压下，以太阳光驱动氮气与水转化为氮肥，成功收集到固态氮肥硫酸铵（(NH₄)₂SO₄），其太阳能到化学能的转化效率达到 0.03%。成果发表在J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 20194；Adv. Mater. 2025, 37, 2420199; Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202508442；Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202506546; J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 15942; J. Am. Chem. Soc. 2025, 14,33060。

图3. 温和条件下高效人工固氮

3.  中空微球的球壳设计及其轻量化深空隔热材料

中空微球兼具轻量化和高强度的特性，而通过球壳的精确设计可进一步赋予或增强其功能性。低温科学与技术全国重点实验室极域材料科学与工程研究中心创新地采用异质功能组分互溶度差异实现球壳微结构调控，实现了轻质高强基础上的功能剪裁，并揭示了其内在机理。面向深空探测任务对航天器热控材料的极端低温性能和轻量化的高要求，研制出基于中空微球的轻量化、不耗能、长周期空间环境服役稳定性高的力学支撑-绝热双功能阵列，以及基于该阵列结构的热控材料。通过轻量化微球复合材料的应用和结构-功能一体化设计提升了隔热效果，并大幅度降低密度和厚度。其热控组件成功应用于中国行星和彗星探测工程天问2号探测器，实现大幅度减重。

未来将持续支撑极远、极寒、极暗环境下服役的深远空航天器的轻量化热控。

图4. 结构-功能一体化热控材料

图5. 天问2号深空探测器应用

4.  超高温热声热泵

我国200~700℃工业用热占总用热需求的30%，利用热泵供热的降碳潜力巨大，然而当前热泵技术的供热温度极限仅为200℃左右，远远无法满足需求。热声热泵是最具潜力实现超高温泵热的技术路线之一。

针对电驱动热声热泵，低温科学与技术全国重点实验室低温制冷与特种动力技术研究中心创新性地提出了电调相方法，通过双作用热泵 “反相运行”的声场调节，巧妙地实现系统中声功的反向传输，避免了压缩机核心部件的高温运行，从根本上解除了超高温压缩机研制的困难和挑战，成功研制出国际首台泵热温度超过200℃的双作用自由活塞型热声斯特林超高温热泵样机。针对热驱动热声热泵，阐明了热声发动机和热泵的多场耦合机制，进而研制了完全无运动部件的热泵样机，可以将140℃左右的低品位热能泵送到270℃以上。此外，团队对包括热声斯特林热泵技术在内几种潜在可实现超高温泵热的技术研究等进行了梳理，并对未来超高温热泵技术（600K至1600K）所涉及的关键材料、关键技术等进行了研究展望。

上述研究成果发表在Nature Energy，Applied Physics Letters，Energy等期刊，并申请多项发明专利。该工作获科技日报、中国科学报等媒体报道。

图6. 研究工作发表于Nature Energy等期刊

5.  竹红菌素类化学I类新型光疗药物

光动力疗法是利用光敏剂（光疗药）的光动力效应对疾病进行诊断与治疗的一种新兴非侵袭性技术，具有靶向精准、抗瘤谱广、安全性好等突出临床优点，对肿瘤、血管畸形、细菌/病毒感染等疾病表现出独特的治疗优势。目前国内外上市的十余种动物源卟啉类光疗药均为国外机构原研，我国自主知识产权的光疗药严重缺乏，无法满足我国临床应用的迫切需求。竹红菌素是我国云南省独有天然植物源光敏剂，与国内外临床应用的光疗药相比，竹红菌素天然植物源系列光敏剂具有结构明确、组分单一、光疗窗口可调、代谢快等独特优势，已在皮肤癌、食管癌、胆管癌以及鲜红斑痣等多种病症的治疗中展现出广阔的应用前景。

光电信息材料与器件研究中心汪鹏飞研究员团队近十年开展了深入的临床前研究，取得了国际领先的原创成果，获得了一系列具有临床应用价值的潜在药物。其中，用于治疗皮肤鳞癌及癌前病变的光疗药物，于2025年3月、8月分别获得国家药品监督管理局批件，正在开展I期临床试验，相关成果已落实产业化转化，实现了理化所在竹红菌素类光疗药物的里程碑式突破，有望发展出我国独特的新型系列原研光疗药，打破我国光疗药缺乏的局面，推动光动力治疗领域的发展。

图7. 新型光疗药物获得临床试验批准

6.  超重力重熔实现超高性能BiSbTe热电材料

热电转换技术通过塞贝克效应(Seebeck effect)和帕尔贴效应(Peltier effect)实现热能与电能直接相互转换，具有系统体积小、无运动部件、无噪声、无损耗和无污染等优点，在深空探测、固态制冷和精确控温等领域有着重要的应用。热电转换效率主要由热电材料的无量纲热电优值（）决定。由于电学和热学传输特性之间的强耦合关系，使得提高材料的热电性能颇具挑战性。

低温科学与技术全国重点实验室低温材料及应用超导研究中心提出超重力场重熔协同优化热电性能、提升热电优值zT的新方法，即在超重力场的作用下，脆性BiSbTe热电材料经历了不同寻常的塑性变形，并形成了大量微观结构缺陷，诸如高密度位错、反位缺陷（Bi(Sb)'_Te)）和微孔等。这种微观结构重构显著增加了声子散射，导致晶格热导率降低约24%（300K），结合载流子浓度优化功率因子，BiSbTe合金的热电优值zT>1.91，平均zT值达到1.63-1.66（300-500K），这是目前国际上报道的最高值。基于超重力重熔BiSbTe材料，制备相应的热电器件，其发电效率达到6.4%（T =184K，T_cold=289 K），比对应的商用器件高约52%，并且获得了5.5W的高输出功率，比商用模块提高了83%。该研究成果以Ultrahigh thermoelectricity obtained in classical BiSbTe alloy processed under supergravity为题发表在Nature Communications, 2025, 16:7645上。

基于上述研究成果，获得国家重点研发计划工程科学与综合交叉重点专项项目支持。

图8. 相关研究成果发表在Nature Communications上

7. 工业级高效氢液化关键技术、核心装备及产业化应用研究

面向我国氢燃料商用车集中运行对氢燃料制备、输配及加注的迫切需求，低温科学与技术全国重点实验室低温工程与系统应用研究中心突破了工业级正仲氢转化及换热一体化、氢气透平膨胀机以及集成与调控等关键核心技术，自主研发了国内首台套5吨/天级氢液化成套装备，联合产业化公司中科富海在安徽省阜阳市建成了国内首个取得安全生产许可的民用液氢工厂。

经第三方测试或专家现场见证，氢气透平膨胀机最高绝热效率83.52%，一体化换热器最高换热效能96.77%，氢气液化能力5.27吨/天，液化能耗11.8 kW·h/kg LH2，示范运行168小时以上，完成了液氢外运，实现了“技术攻关和实验室”向“工程化验证和商业化示范”迈进，在国内率先打通了液氢制-储-运-加产业链。获批2025年“液氢技术与应用”北京市重点实验室。经中国工程热物理学会组织成果鉴定，鉴定委员会认为：“该项目技术难度大，研究成果是氢能领域的重大创新，部分技术达到国际领先水平，整体达到国际先进水平”。

图9. 安徽省阜阳市民用液氢工厂鸟瞰图

图10. 中央电视台等报道：液氢制取技术新突破

8. 超高频大冷量脉冲管制冷机实现首次工程应用

2025年，低温科学与技术全国重点实验室脉冲管制冷及空间低温系统技术研究中心聚焦航天重大任务需求，持续突破核心关键技术，多项成果达到国内领先、国际先进水平。全年共有11台制冷机随4颗卫星/飞船顺利发射入轨。截至目前，理化所在轨运行的空间脉冲管制冷机占我国该类型制冷机总数的50%以上，均运转良好，彰显了过硬的产品可靠性与技术成熟度。

研究团队集中力量突破一系列技术瓶颈，实现多项技术创新与应用：成功研发大冷量超高频脉冲管制冷机并完成首次工程应用，填补相关技术空白；将超高频小型化制冷机的应用温区突破至60K，拓展了产品的使用边界；创新性解决大面阵耦合、超高平面度控制等关键难题，满足装备应用需求。

图11. 超长寿命制冷机随航天器顺利入轨

9.  仿生界面设计显著提升液体稳定性

液体晃动普遍发生在日常生活、工业运输、医疗输送以及实验室操作等场景中，可能造成严重问题。仿生智能界面科学中心从猪笼草和睡莲中获得启发，协同利用界面浸润性调控和结构设计两种策略，通过连续3D打印技术制备出具有独特界面设计的“双仿生”稳液容器，在复杂动态场景下依然能保持液体高效稳定。

该容器性能显著提升：实验室振荡测试中可承受超5000次振荡无溢出（普通容器约15次）；实地路测中，仿生杯“香槟塔”通过50个减速带后液体零溢出，而普通容器损失达40%。此项工作不仅为设计防溢液日常容器提供了方案，更在工业运输、航空航天及医疗液体输送等对稳定性要求极高的领域展现出广阔的应用前景。相关成果已发表于Science Advances上。

图12. 仿生界面设计显著提升液体稳定性

10.  全自然域降解塑料关键技术及产业化应用研究

面向全球塑料污染治理及可持续发展重大需求，降解塑料和工程塑料研究中心在国际上首次提出“全自然域降解塑料”概念。创建非酶促水解与生物降解相结合的共聚结构设计策略，通过高分子链中易水解位点的引入及序列结构与分子间作用力的协同调控，成功构筑了系列新型全自然域降解塑料，从分子层面解决了现有塑料在海水中降解慢、难降解的国际难题，突破了降解性与力学、耐热性难以兼容的技术瓶颈。经第三方检测和应用验证，材料可在包括堆肥、土壤、海水、淡水等全自然环境中最终转化为CO₂（或CH₄）和水，其降解周期可根据需求在数天至数年间按需调控，最高拉伸强度达70MPa，断裂伸长率50-800%，透明度93%。

联合产业化公司北京中科可蓝新材料科技有限公司（中科可蓝）完成了从百吨级中试合成到消费电子、海洋贻贝养殖、海底修复、农用地膜等多领域应用验证，其中可降解地膜实现了千吨级销售，是内蒙古自治区农牧厅官方唯一推荐品种，系列成果被列为“海南禁塑五周年三大标志性成果”之一。合作企业已完成首轮4500万元融资，于内蒙乌海市建设首期3000吨/年连续化生产线，被列入乌海市重大引进项目。中科可蓝被北京市科委认定为北京市2025年度“创新型中小企业”，在科创媒体36氪年度企业评选中获评“最具商业潜力企业”，充分证明了成果显著的技术领先性、成熟的产业化能力与广阔的商业前景。

图13. 全自然域降解塑料产业化应用